基于以太网的小型数据采集终端设计
基于以太网的小型数据采集终端设计[20200406141509]
摘 要
随着网络技术的发展，各种数据采集与控制设备逐渐走向网络化。由于以太网具有速度快、性价比高、结构相对简单、与标准的计算机操作系统集成度高等优点，已经越来越多地被应用于数据采集和测试测量、工业I/O等领域中。通过微控制器结合以太网芯片，可以实现局域网内数据采集终端与主机间的高速数据通信。
本文采用32位微控制器STM32f103为核心的开发平台，通过SPI接口与ENC28J60以太网控制器相连接，并移植了开源的嵌入式协议栈——uIP，使终端具备网络通信功能，可以通过以太网实现与PC机间数据通信，将终端采集到的信息发送至PC主机。 实验结果表明，PC机可以接收到终端发送来的模拟数据，基本实现了设计目标。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:STM32以太网uIP
目录
第一章 绪论 1
1.1 研究目的和意义 1
1.2 国内外现状 1
第二章 硬件设计 2
2.1 STM32F103芯片的相关介绍 2
2.2 Cortex-M3内核的相关介绍 3
2.3 STM32硬件接口 4
2.4 STM32的FSMC相关介绍 5
2.5 ENC28J60简介 6
2.6数据采集的主要过程 7
2.7 Keil集成开发环境 8
第三章 UIP协议栈的移植与分析 9
3.1 相关协议的介绍 9
3.2 UIP在STM32上的移植 10
3.3 UIP协议处理的主要流程 10
第四章 实验结果与分析 13
结束语 16
参考文献 17
致谢 18
第一章 绪论
1.1 研究目的和意义
随着现代社会发展的速度越来越快，越来越多的实验室器件和工业生产中的数据采集一步一步地趋于网络化。由于以太网技术日益成熟，具有高速、大容量、性价比高、结构相对简单、与标准的计算机操作系统集成度高等优点，越来越多地被应用于数据方面的采集和医疗测试、工业控制等工作领域中，这样也显示了它的重要性。通过微控制器结合以太网芯片，可以实现局域网内数据采集终端与主机间的高速数据通信。因此，本课题主要研究基于32位微控制器构建的小型网络数据采集终端，通过以太网实现与PC主机间数据通信的方法。
基于STM32处理器构建的小型网络数据采集终端，然后通过以太网实现与PC主机两者之间的数据通信，进行数据通信交流，最后将终端采集到的信息（如温度等）发送至PC主机。硬件方面选择“STM32f103”作为主要的控制器，把接口连接到SPI上面，然后和ENC28J60相连接。对于软件方面而言，最大的关键就是在于如何形成一个协议栈。本次课题采用的协议栈是UIP，UIP使用起来非常的简单，而且占用的内存资源又非常的少，具备一些重要的协议，这些协议在网络通信的过程中需要使用，运用在嵌入式系统中再合适不过了。通过对该协议栈的移植，使终端拥有数据传输的功能。此外，数据采集可采用STM32f103片内高精度AD结合各类传感器实现，以温度采集为例，可直接利用它内部包含的温度传感器结合AD转换实现。
1.2 国内外现状
随着当今社会的发展，计算机网络技术有了很大的进步，并在各行各业得到广泛的应用，在电子设备逐渐趋于网络化的背景下，利用单片机操控以太网芯片进行数据的采集和通信越来越吸引广大群众的眼球。在这个阶段，能够根据操控以太网芯片，对如何编程进行了解，来进行局域网内任何两个终端之间的数据传输，或者是单片机和任何一个终端之间的数据传输，并且这方面在网络化开发这块有着很大的市场。如果要让多种嵌入式器件进行网络数据传输，必须要有一个TCP/IP协议栈的网络接入功能，因为它的资源是有限的，功能特点也具有单一性，所以问题的关键在于如何利用嵌入式系统研发出一种小型的嵌入式TCP/IP协议栈。
第二章 硬件设计
随着信息科学技术迅猛发展，网络技术与生活之间的关系愈来愈密切。以太网接口的通信基础，是根据以太网中的每个节点。在“TCP/ IP协议栈”的数据链路层中，以太网接口的重要环节是信息之间的传输和管理。对于单片机而言，因为内部资源有限的缘故，既要完成主控任务，也要实现TCP/ IP协议栈的作用，难度比较大，经过全方位的综合考虑，所以这次课题选择STM32F103作为主控芯片。
2.1 STM32F103芯片的相关介绍
STM32F103芯片是基于ARM Cortex-M3为内核的32位处理器芯片，该芯片内置的存储器(512 KB Flash、64 KB RAM)速度非常快，大大的加强了I/O端口的选择和合理的配置外设资源，这样变得更加方便。该芯片蕴含了5路的USART 、2 个12通道的DMA控制器、3路SPI和12位的ADC、DAC、F SMC、SDIO、USB、CAN等等。该芯片能够达到的最高工作频率是72 M Hz，并且拥有标准的通讯接口，供应 PVD，来确保系统全部的稳定工作，增强抗干扰力，温度传感器能够直接与内部ADC连接，能够对器件周围环境的温度进行监测，工作温度大概在-40~85℃能够满足课题的要求。该芯片包含了几个重要的模块，其中包括存储器模块、通信接口模块、定时的模块。存储器模块存储的信息量也是相当大的，它的存储空间因此也非常的大；定时器模块的输入输出端口也是比较多的，这样大大方便了时间信号的传输；通信模块的接口也非常的多。这样的微控制器可以在很多场合使用，比如说医疗设备方面，工业生产方面，警报系统方面等等。相对来说，STM32固体开发库的应用还是相当广泛的，开发技术人员不用了解最底层寄存器，就可以进行微处理器操作，这样就大大的缩短了开发所需要的时间，因而开发效率也变得更高了。STM32处理器拥有两个系列，其中，STM32F103属于增强型系列。STM32F103系列处理器的代码效率非常的高，这样大大的减少了时间，并且内存也非常的大。STM32系列的处理器具备了成本价格比较低、功能性高、功率消耗比较低的Cortex-M3内核等特征。STM32系列的处理器，上面集成了很多片上外设接口，并且都是在总线上的，并且有2能够为AHB和两个APB总线之间提供同步的桥段，它们是AHB到APB桥。STM32系列的处理器包括下面几个外围接口：
（1）STM32系列的处理器，它的内部由许多GPIO端口构成，并且GPIO端口能够根据软件配置形成各种类型的工作模式；
（2）STM32系列的处理器，它的内部由DMA控制器构成，拥有七个通道口，它们的作用是回应来自于外设对存储器的访问要求；
（3）STM32系列的处理器，它的内部由USB控制器组成的，能够达到的最大的速度是12Mbit/s，它的内部自动生成了许多USART控制器能够达到的最高速度是4.5Mbit/s，它的内部由SPI控制器构成的，它能够达到最高的速度是18Mbit/s；
（4）STM32系列的处理器，它的内部由I2C控制器构成的，能够达到400KHz；
STM32F103的模块图如图2—1 所示。
图 2—1 STM32F103增强型模块图
2.2 Cortex-M3内核的相关介绍
内核Cortex-M3有一个重要的特点就是功耗非常的低，该处理器具备着快速中断响应的能力，并且又经济又耐用，该处理器包括如下几个方面的应用特点：
（1）成本价格相当的低：Cortex-M3内核的设计主要是为了进行微控制，因此用来做单片机再恰当不过了，并且廉价和容易掌握。
（2）汽车方面的电子：Cortex-M3在汽车电子领域的用途也很广泛。Cortex-M3拥有响应速度快、低延迟中断的功能。
（3）强大的数据通信的能力：Cortex-M3拥有非常高的效率的优点、成本价格相当低等等优点，位操作指令还非常的强大，使Cortex-M3越来越适用于许多数据通信方面的研究和应用。
STM32F103芯片有一个重要的内核就是Cortex-M3，这个内核是ARM公司开发的一个重要芯片，Cortex-M3处理器的核心是中央处理单元（CPU）的芯片，然后添加一些外围原件构成的接口，处理芯片。但是不同的公司生产出的处理器可以在相对应的应用环境下进行相对应的配置，包括存储器容量的大小问题、外形设计美观等都各具特色。
摘 要
随着网络技术的发展，各种数据采集与控制设备逐渐走向网络化。由于以太网具有速度快、性价比高、结构相对简单、与标准的计算机操作系统集成度高等优点，已经越来越多地被应用于数据采集和测试测量、工业I/O等领域中。通过微控制器结合以太网芯片，可以实现局域网内数据采集终端与主机间的高速数据通信。
本文采用32位微控制器STM32f103为核心的开发平台，通过SPI接口与ENC28J60以太网控制器相连接，并移植了开源的嵌入式协议栈——uIP，使终端具备网络通信功能，可以通过以太网实现与PC机间数据通信，将终端采集到的信息发送至PC主机。 实验结果表明，PC机可以接收到终端发送来的模拟数据，基本实现了设计目标。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:STM32以太网uIP
目录
第一章 绪论 1
1.1 研究目的和意义 1
1.2 国内外现状 1
第二章 硬件设计 2
2.1 STM32F103芯片的相关介绍 2
2.2 Cortex-M3内核的相关介绍 3
2.3 STM32硬件接口 4
2.4 STM32的FSMC相关介绍 5
2.5 ENC28J60简介 6
2.6数据采集的主要过程 7
2.7 Keil集成开发环境 8
第三章 UIP协议栈的移植与分析 9
3.1 相关协议的介绍 9
3.2 UIP在STM32上的移植 10
3.3 UIP协议处理的主要流程 10
第四章 实验结果与分析 13
结束语 16
参考文献 17
致谢 18
第一章 绪论
1.1 研究目的和意义
随着现代社会发展的速度越来越快，越来越多的实验室器件和工业生产中的数据采集一步一步地趋于网络化。由于以太网技术日益成熟，具有高速、大容量、性价比高、结构相对简单、与标准的计算机操作系统集成度高等优点，越来越多地被应用于数据方面的采集和医疗测试、工业控制等工作领域中，这样也显示了它的重要性。通过微控制器结合以太网芯片，可以实现局域网内数据采集终端与主机间的高速数据通信。因此，本课题主要研究基于32位微控制器构建的小型网络数据采集终端，通过以太网实现与PC主机间数据通信的方法。
基于STM32处理器构建的小型网络数据采集终端，然后通过以太网实现与PC主机两者之间的数据通信，进行数据通信交流，最后将终端采集到的信息（如温度等）发送至PC主机。硬件方面选择“STM32f103”作为主要的控制器，把接口连接到SPI上面，然后和ENC28J60相连接。对于软件方面而言，最大的关键就是在于如何形成一个协议栈。本次课题采用的协议栈是UIP，UIP使用起来非常的简单，而且占用的内存资源又非常的少，具备一些重要的协议，这些协议在网络通信的过程中需要使用，运用在嵌入式系统中再合适不过了。通过对该协议栈的移植，使终端拥有数据传输的功能。此外，数据采集可采用STM32f103片内高精度AD结合各类传感器实现，以温度采集为例，可直接利用它内部包含的温度传感器结合AD转换实现。
1.2 国内外现状
随着当今社会的发展，计算机网络技术有了很大的进步，并在各行各业得到广泛的应用，在电子设备逐渐趋于网络化的背景下，利用单片机操控以太网芯片进行数据的采集和通信越来越吸引广大群众的眼球。在这个阶段，能够根据操控以太网芯片，对如何编程进行了解，来进行局域网内任何两个终端之间的数据传输，或者是单片机和任何一个终端之间的数据传输，并且这方面在网络化开发这块有着很大的市场。如果要让多种嵌入式器件进行网络数据传输，必须要有一个TCP/IP协议栈的网络接入功能，因为它的资源是有限的，功能特点也具有单一性，所以问题的关键在于如何利用嵌入式系统研发出一种小型的嵌入式TCP/IP协议栈。
第二章 硬件设计
随着信息科学技术迅猛发展，网络技术与生活之间的关系愈来愈密切。以太网接口的通信基础，是根据以太网中的每个节点。在“TCP/ IP协议栈”的数据链路层中，以太网接口的重要环节是信息之间的传输和管理。对于单片机而言，因为内部资源有限的缘故，既要完成主控任务，也要实现TCP/ IP协议栈的作用，难度比较大，经过全方位的综合考虑，所以这次课题选择STM32F103作为主控芯片。
2.1 STM32F103芯片的相关介绍
STM32F103芯片是基于ARM Cortex-M3为内核的32位处理器芯片，该芯片内置的存储器(512 KB Flash、64 KB RAM)速度非常快，大大的加强了I/O端口的选择和合理的配置外设资源，这样变得更加方便。该芯片蕴含了5路的USART 、2 个12通道的DMA控制器、3路SPI和12位的ADC、DAC、F SMC、SDIO、USB、CAN等等。该芯片能够达到的最高工作频率是72 M Hz，并且拥有标准的通讯接口，供应 PVD，来确保系统全部的稳定工作，增强抗干扰力，温度传感器能够直接与内部ADC连接，能够对器件周围环境的温度进行监测，工作温度大概在-40~85℃能够满足课题的要求。该芯片包含了几个重要的模块，其中包括存储器模块、通信接口模块、定时的模块。存储器模块存储的信息量也是相当大的，它的存储空间因此也非常的大；定时器模块的输入输出端口也是比较多的，这样大大方便了时间信号的传输；通信模块的接口也非常的多。这样的微控制器可以在很多场合使用，比如说医疗设备方面，工业生产方面，警报系统方面等等。相对来说，STM32固体开发库的应用还是相当广泛的，开发技术人员不用了解最底层寄存器，就可以进行微处理器操作，这样就大大的缩短了开发所需要的时间，因而开发效率也变得更高了。STM32处理器拥有两个系列，其中，STM32F103属于增强型系列。STM32F103系列处理器的代码效率非常的高，这样大大的减少了时间，并且内存也非常的大。STM32系列的处理器具备了成本价格比较低、功能性高、功率消耗比较低的Cortex-M3内核等特征。STM32系列的处理器，上面集成了很多片上外设接口，并且都是在总线上的，并且有2能够为AHB和两个APB总线之间提供同步的桥段，它们是AHB到APB桥。STM32系列的处理器包括下面几个外围接口：
（1）STM32系列的处理器，它的内部由许多GPIO端口构成，并且GPIO端口能够根据软件配置形成各种类型的工作模式；
（2）STM32系列的处理器，它的内部由DMA控制器构成，拥有七个通道口，它们的作用是回应来自于外设对存储器的访问要求；
（3）STM32系列的处理器，它的内部由USB控制器组成的，能够达到的最大的速度是12Mbit/s，它的内部自动生成了许多USART控制器能够达到的最高速度是4.5Mbit/s，它的内部由SPI控制器构成的，它能够达到最高的速度是18Mbit/s；
（4）STM32系列的处理器，它的内部由I2C控制器构成的，能够达到400KHz；
STM32F103的模块图如图2—1 所示。
图 2—1 STM32F103增强型模块图
2.2 Cortex-M3内核的相关介绍
内核Cortex-M3有一个重要的特点就是功耗非常的低，该处理器具备着快速中断响应的能力，并且又经济又耐用，该处理器包括如下几个方面的应用特点：
（1）成本价格相当的低：Cortex-M3内核的设计主要是为了进行微控制，因此用来做单片机再恰当不过了，并且廉价和容易掌握。
（2）汽车方面的电子：Cortex-M3在汽车电子领域的用途也很广泛。Cortex-M3拥有响应速度快、低延迟中断的功能。
（3）强大的数据通信的能力：Cortex-M3拥有非常高的效率的优点、成本价格相当低等等优点，位操作指令还非常的强大，使Cortex-M3越来越适用于许多数据通信方面的研究和应用。
STM32F103芯片有一个重要的内核就是Cortex-M3，这个内核是ARM公司开发的一个重要芯片，Cortex-M3处理器的核心是中央处理单元（CPU）的芯片，然后添加一些外围原件构成的接口，处理芯片。但是不同的公司生产出的处理器可以在相对应的应用环境下进行相对应的配置，包括存储器容量的大小问题、外形设计美观等都各具特色。
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